Effect of the incorporation of river sediments on the physico-chemical, mechanical and durability properties of concretes
Effet de l’incorporation des sédiments fluviaux sur les propriétés physico-chimiques, mécaniques et de durabilité des bétons
Résumé
Dredged sediments, considered as waste, seem to be a promising alternative to conventional materials. Dredging operations, carried out by the Territorial Directorate of the Seine Basin (DTBS), generate an annual volume of sediments of about 150,000 m3. In this thesis, we are first interested in the potential of valorization of these sediments as an alternative to aggregates or cement (as an addition). To this end, a study of the variability of the Ile-de-France deposit and its effect on the properties of concrete is carried out. The compilation of the deposit properties shows that 30 % of the dredged volume could be considered as a stable and clean source of aggregates, while non-inert sediments represent only 6 %. The experimental study shows that the substitution of 30 % by volume of aggregates or the substitution of 10 % by volume of cement respectively by coarse or fine sediments affects only slightly the hydration kinetics, the compressive strength and the shrinkage. Next, we investigated the effect of the organic matter of sediments on the rheological, physico-chemical (hydration and shrinkage) and mechanical properties of a cement paste. The results obtained show that humic substances, organic matter present in the sediments, have an effect similar to that of calcium lignosulfonates, a plasticizer, both on the hydration kinetics and on the rheology of the cement paste. The last part of the thesis deals with the effect of the incorporation of shells on the mechanical and durability properties of concrete. This part is divided into two parts; an experimental part and a numerical part. The first one aims at evaluating the effect of the incorporation of shells, as gravels, on the macroscopic properties of concretes (mechanical properties and durability properties). The experimental results show that there is no effect of the incorporation of shells on the slump, shrinkage and durability properties (porosity, diffusion of chlorine ions and carbonation) of concrete for substitutions lower than 20 %. On the other hand, the mechanical properties decrease with the increase in the substitution rate; for a volume substitution of 20 %, the compressive strength and elastic modulus decrease respectively by 20 % and 17 %. The numerical part aims at building a coherent numerical tool to predict the mechanical and diffusion properties of a concrete according to its composition and the physical and geometrical parameters of the microstructure. By microscopic observations (SEM) and by modeling shells as inclusions embedded in a cementitious matrix, we show that the adhesion between the shell and the matrix is weak and must be taken into account to estimate the properties of shell-based concretes
Les sédiments de dragage, classés aujourd'hui comme déchets, semblent être une alternative prometteuse aux matériaux conventionnels. Les opérations de dragage, réalisées par la Direction Territoriale du Bassin de la Seine (DTBS), génèrent un volume annuel des sédiments d’environ 150 000 m3. Dans cette thèse, nous nous intéressons tout d'abord au potentiel de valorisation de ces sédiments en tant qu'alternative aux granulats ou au ciment (comme addition). Pour ce faire, une étude de variabilité du gisement francilien et de son effet sur les propriétés du béton est réalisée. La compilation des propriétés du gisement montre que 30 % du volume dragué pourrait être considéré comme une source stable et propre de granulats, alors que les sédiments non inertes ne représentent que 6 %. L'étude expérimentale montre que la substitution de 30 % en volume des granulats ou la substitution de 10 % en volume de ciment respectivement par des sédiments grossiers ou par des sédiments fins affecte que légèrement la cinétique d'hydratation, la résistance à la compression et le retrait. Ensuite, nous avons approfondi l’effet de la matière organique des sédiments sur les propriétés rhéologiques, physico-chimiques (hydratation et retrait) et mécaniques d’une pâte de ciment. Les résultats obtenus montent que les substances humiques, matières organiques présentes dans les sédiments, ont un effet analogue à celui des lignosulfonates de calcium, un plastifiant, tant sur la cinétique d'hydratation que sur la rhéologie de la pâte cimentaire. La dernière partie de la thèse traite de l’effet de l’incorporation des coquillages sur les propriétés mécaniques et de durabilité du béton. Cette partie est scindée en deux volets ; un volet expérimental et un volet numérique. Le premier a comme objectif d’évaluer l’effet de l’incorporation des coquillages, comme graviers, sur les propriétés macroscopiques des bétons (propriétés mécaniques et propriétés de durabilité). Les résultats expérimentaux montrent qu'il n'y a aucun effet de l'incorporation des coquillages sur l'affaissement, le retrait et les propriétés de durabilité (la porosité, la diffusion des ions chlore et la carbonatation) du béton pour des substitutions inférieures à 20 %. En revanche, les propriétés mécaniques diminuent avec l'augmentation du taux de substitution; pour une substitution volumique de 20 %, la résistance à la compression et le module élastique diminuent respectivement de 20 % et 17 %. Le volet numérique a pour objectif de construire un outil numérique cohérent permettant de prédire les propriétés mécaniques et de diffusion d'un béton en fonction de sa composition et des paramètres physiques et géométriques de la microstructure. Par des observations microscopiques (MEB) et en modélisant les coquillages comme des inclusions plongées dans une matrice cimentaire, nous montrons que l'adhésion entre le coquillage et la matrice est limitée, et doit être prise en compte pour estimer les propriétés des bétons à base de coquillages
Origine : Version validée par le jury (STAR)